Содержание
Ценная походка: создан экзоскелет, «растущий» вместе с ребенком | Статьи
Российские ученые создали экзоскелет, который сможет диагностировать нарушения в работе опорно-двигательного аппарата, а также будет использоваться для реабилитации больных с такими диагнозами. Электроника устройства проанализирует ходьбу здоровых людей и сформирует портрет идеальной походки. Именно с ней система будет сравнивать манеру ходьбы пациентов. В случае заметных отклонений от стандарта специальные моторы начнут корректировать движения больного. По мнению специалистов, разработка может значительно облегчить труд врачей-реабилитологов.
Нелегкой походкой
Специалисты Московского политеха совместно с компанией «Полдень. 21-й век» работают над созданием экзоскелета для диагностики и лечения болезней опорно-двигательного аппарата. В первую очередь его предполагают использовать для работы с детьми. С помощью изобретения можно будет оценить, насколько походка пациента соответствует здоровому идеалу, измерить объективные показатели, которые характеризуют его индивидуальный стиль ходьбы, а также научить человека правильно ходить.
Выпустить на рынок свое изобретение инженеры хотят уже в 2024 году.
— По предварительным расчетам, наши экзоскелеты будут стоить как минимум втрое дешевле, чем существующие на рынке аналоги, — сказал руководитель исследовательской группы и магистерской программы «Роботизированные беспилотные системы и эргономика» Московского политехнического университета Илья Таратонов.
Проект по созданию экзоскелета включает в себя несколько этапов. Сначала устройство будут использовать исключительно для диагностики. Металлический каркас скелета, на который установлено множество датчиков, ученые наденут на здоровых людей и на их примере сформируют базу данных правильных движений. Это позволит специалистам получить универсальный портрет идеальной походки человека. Затем инженеры определят, какие числовые показатели датчиков (электрическая активность мышц, температура, угол наклона и т.д.), используемых в устройстве, соответствуют правильной ходьбе.
Фото: Московский Политех
Специалисты политеха стремятся создать устройство, которое будет способно контролировать походку по объективным показателям.
Врачи смогут использовать его точно так же, как кардиолог использует кардиограмму. С помощью скелета можно будет понять, например, что человек слишком далеко выставляет ногу либо, наоборот, отставляет ее назад.
Как рассказали ученые, законы кинематики (раздел механики, который описывает движение) говорят, что походка людей совпадает только на 70%, а остальные 30% определяются индивидуальным стилем. Разработчики стараются точно определить соотношение между общей основой и персональными особенностями, чтобы скелет мог подстраиваться под каждого пользователя, пояснили специалисты.
По словам разработчиков скелета, многие даже здоровые люди всю жизнь ходят неправильно. Вред от этого до определенного момента компенсируется за счет жизненных сил организма. Однако рано или поздно такая ходьба приводит к болезням суставов, головным болям, заболеваниям сердечно-сосудистой системы и другим осложнениям. Экзоскелет поможет выявить нарушения в походке и в таких случаях.
На следующем этапе скелет используют, чтобы зафиксировать особенности ходьбы у детей с ДЦП и создать их «портреты» со всеми численными показателями, которые фиксируют датчики.
На основе эти данных врач сможет разработать программу лечебных упражнений и контролировать ее эффективность. В распоряжении медика будет вся статистика по каждому пациенту, его индивидуальные характеристики и другая необходимая информация. За 15 минут посещения пациента лечащий специалист получит конкретные цифры, по которым сможет судить, есть ли прогресс в лечении или его стоит поменять, рассказали в Московском политехе.
После того как диагностическая функция устройства будет отработана, инженеры займутся его настройкой для коррекции походки. Для этого в конструкцию скелета включены моторы. Если пациент ходит неправильно, двигатели будут корректировать его движения. В конечном счете задача пользователя будет сводиться к тому, чтобы моторы при ходьбе ему не мешали. Это будет происходить интуитивно, поэтому специальное обучение пациента не требуется.
Подходящий размер
Особенность работы с детьми в том, что они быстро растут, поэтому оборудование должно увеличиваться в размерах вместе с ними.
Сохраняя одну программно-аппаратную часть и электронику, конструкция позволяет менять отдельные детали скелета и тем самым регулировать его высоту. По словам разработчиков, за сутки с помощью 3D-принтера они могут распечатать скелет для любого ребенка ростом до 1,5 м.
— Мы формируем унифицированный экзоскелетный комплекс, позволяющий менять размеры по мере роста нашего маленького пациента и адаптировать под него лечение, — сказал Илья Таратонов.
Диагностика с помощью устройства будет занимать не более 15 минут. Она будет проводиться с использованием специальной беговой дорожки, имитирующей любые препятствия. А во время лечения ребенок может оставаться в устройстве сколь угодно долго. Для лучшего контакта с детьми инженеры намерены оформить его в стиле костюма «Железного человека» или других хорошо знакомых ребенку героев.
Фото: Московский Политех
Однако, по мнению специалистов компании Muscles.AI, которая занимается разработкой специального костюма для анализа движений и реабилитации пациентов с болезнями опорно-двигательного аппарата, особенности конструкции экзоскелетов в принципе не позволяют использовать эти устройства для диагностики.
— Экзоскелет накладывает ограничения на движения и меняет их механику. То есть специалисты диагностируют не движения человека, а движения экзоскелета. Если же разработка позволяет двигаться абсолютно свободно, то это уже не экзоскелет, а носимая технология — программно-аппаратный комплекс того типа, что делаем мы, — сказал технический директор компании Виталий Улыбин.
Разработанный специалистами Московского политеха экзоскелет будет эффективен для работы со взрослыми пациентами, перенесшими травмы, или детьми старшего возраста, больными ДЦП, уверена специалист по детской реабилитации Наталья Пыхтина.
— К сожалению, на самых маленьких пациентов возрастом около года экзоскелет не наденешь, поэтому приходиться делать с ними упражнения вручную, — сказала Наталья Пыхтина.
Но когда пациенты становятся старше и увеличивается их вес, то экзоскелет может заметно облегчить труд реабилитолога, резюмировала специалист.
Артиллеристу в помощь. В России протестируют экзоскелеты для военных
До конца 2022 года на одном из полигонов в России пройдут испытания экзоскелетов, разработанных для облегчения переноски боеприпасов в боевых условиях.
«Газета.Ru» — о перспективном устройстве и о его эффективности на поле боя.
В России планируется провести эксперименты по применению экзоскелетов в боевых условиях, в частности, для подноски боеприпасов, рассказал РИА Новости руководитель предприятия-изготовителя этой продукции Ekzo Solutions Максим Скоков.
«Артиллеристов интересуют экзоскелеты для облегчения погрузки снарядов. В ноябре-декабре на одном из полигонов мы проведем эксперимент, в ходе которого потенциальный заказчик на практике проверит эффективность нашей техники для решения данных задач», — рассказал Скоков.
По его словам, заказчиком выступает не Министерство обороны РФ, а «иные специальные структуры».
При этом он уточнил, что экзоскелеты в настоящее время не используются российскими военными в ходе спецоперации на территории Украины. Кроме того, подобные устройства на вооружении Минобороны не стоят, известно лишь об отдельных экспериментах с применением пассивных экзоскелетов, помогающих снимать нагрузку с носителей.
Пассивные экзоскелеты уже некоторое время используются в российской армии, утверждает и.о. заведующего лаборатории общей механики НИИ механики МГУ Владимир Буданов, правда, пока речь идет лишь о нескольких десятках подобных устройств.
«Это продукция компании «ГБ-Инжиниринг», которая сертифицирована и поступила на вооружение в экспериментальном порядке. Пока большей частью используется в подразделениях специального назначения. Минобороны заинтересовано в подобных разработках и рассматривает различные варианты применения экзоскелетов, в том числе предполагает их включение в экипировку «Сотник». Эффективность экзоскелетов — в том виде, в котором они сейчас существуют, — до конца не раскрыта. Но вот, скажем, боец в экипировке «Ратник», вес которой в общей сложности 30 кг, при надетом экзоскелете, снижающим человеко-машинную нагрузку, чувствует себя вполне комфортно, не испытывая дополнительных нагрузок», — сказал Буданов «Газете.Ru».
По его словам, в настоящий момент разработчики из НИИ механики МГУ достигли показателя перемещения дополнительного веса без нагрузки для человека именно в 30 кг.
«Идет работа над увеличением возможного переносимого веса, который может быть значительно больше, — говорит эксперт. — Сейчас этому мешает вес самого экзоскелета, который для боевого применения составляет 12 кг. Чем он меньше, тем лучше».
Сегодня основное внимание в вопросе испытаний экзоскелетов уделяется их применению для доставки снарядов к артиллерийским орудиям непосредственно на позициях: в боевых условиях — при отсутствии транспортно-заряжающих машин — это актуальный вопрос. Масса снаряда 152-мм составляет до 50 кг. При скорострельности такого орудия в 6 выстрелов в минуту, поднос боеприпасов имеет особое значение, а нагрузки на заряжающих во время боя просто колоссальные.
«Если физические нагрузки на артиллеристов с использованием экзоскелетов удастся снизить хотя бы наполовину, это в два раза повысит их эффективность при осуществлении стрельбы из орудий», — считает Владимир Буданов.
Тема экзоскелетов для боевой экипировки в России актуализировалась достаточно давно.
Первый опытный экземпляр пассивного типа, под названием ЭО-1, появился еще в 2015 году, и уже в 2017 году он использовался в Сирии.
Его использовали операторы робототехнических комплексов «Уран-6», носимая аппаратура которого весит около 20 кг. Экзоскелеты неоднократно демонстрировались на различных военных выставках и привлекали внимание своим внешним видом и заявленными техническими характеристиками. При этом речь шла лишь о создании пассивных экзоскелетов, а вот активный, с электроприводами и датчиками пока никому в мире создать не удалось.
В США разработки экзоскелетов начались значительно раньше, и они заинтересовали армию. В рамках проекта TALOS (Tactical Assault Light Operator Sult), с разработкой новой боевой экипировки, предполагалось внедрить технологии, обеспечивающие как перевозку грузов с использованием робототехники, так и использование экзоскелетов, разгружающих солдата при большом весе оборудования. В результате многочисленных работ (к ним было привлечено более 50 компаний) был наработан опыт технологий по развитию этого направления, но готовые образцы на вооружение армии США пока так и не поступили.
Бесплатные экзоскелеты фото и картинки
Связанные изображения из iStock
| Сохранить сейчас
насекомое
цикада
экзоскелет
Экзоскелет цикады
день
макрос
природа
Раковина улитки
цикада
кожа
ракушка
Появление
ракушка
крутить
Водоворот
Корпус 2
ракушка
крутить
Водоворот
Корпус 4
ракушка
крутить
Водоворот
Корпус 1
ракушка
крутить
Водоворот
Корпус 3
ракушка
крутить
Водоворот
Корпус 5
краб
пляж
древесина
Краб
кузнечик
трава
бункер
Кузнечик 1
кузнечик
трава
бункер
Кузнечик 3
кузнечик
трава
бункер
Кузнечик 2
стрекоза
насекомое
ошибка
Стрекоза 1
кузнечик
трава
бункер
Кузнечик 5
Прилив
На открытом воздухе
Животное
Краб, Беспозвоночный, Синий кобальт, Десятиногие
стрекоза
насекомое
ошибка
Стрекоза 1
Цикада
насекомое
ошибка
Армия насекомых 1
ракушка
море
экзоскелет
Корпус 1
ракушка
море
экзоскелет
Корпус 2
Оболочка животного
На открытом воздухе
Цветное изображение
Ракушки и останки экзоскелета
Оболочка животного
Крупный план
Цветное изображение
Панцирь с экзоскелетом остается
Оболочка животного
На открытом воздухе
Крупный план
Ракушки и останки экзоскелета
Оболочка животного
Крупный план
Цветное изображение
Панцирь с экзоскелетом остается
Оболочка животного
На открытом воздухе
Крупный план
Ракушки и останки экзоскелета
морская звезда
мертв
Прямо под
Морская звезда
Ищете иллюстрации экзоскелета?
Перейти к иллюстрации
Похожие изображения из
| Сохраните сейчас
Экзоскелет делает ходьбу быстрее и менее утомительной
В течение многих лет Стэнфордская лаборатория биомехатроники поражала воображение своими эмуляторами экзоскелета — лабораторными роботизированными устройствами, которые помогают пользователям ходить и бегать быстрее и с меньшими усилиями.
Теперь эти исследователи отправятся в «дикую природу» со своим первым непривязанным экзоскелетом, представленным в статье, опубликованной 12 октября в журнале Nature .
Перейдите на веб-сайт для просмотра видео.
Гарри Грегори
После многих лет разработки в лабораторных условиях исследователи из Стэнфордской лаборатории биомехатроники представили свой первый экзоскелет, который может помочь выйти в «дикую природу».
«Этот экзоскелет персонализирует помощь, когда люди обычно ходят по реальному миру», — сказал Стив Коллинз, доцент кафедры машиностроения, возглавляющий Стэнфордскую лабораторию биомехатроники. «И это привело к исключительным улучшениям в скорости ходьбы и экономии энергии».
Этот «роботизированный ботинок» имеет двигатель, который работает с икроножными мышцами, чтобы дать владельцу дополнительный толчок при каждом шаге. Но, в отличие от других экзоскелетов, этот толчок персонализируется благодаря модели, основанной на машинном обучении, которая была обучена годами работы с использованием эмуляторов.
«На беговой дорожке наше устройство обеспечивает вдвое большую экономию энергии по сравнению с предыдущими экзоскелетами», — сказал Патрик Слейд, который работал над экзоскелетом в качестве аспиранта и постдокторского научного сотрудника Wu Tsai Human Performance Alliance в Стэнфорде. «В реальном мире это приводит к значительной экономии энергии и повышению скорости ходьбы».
Конечная цель — помочь людям с нарушениями опорно-двигательного аппарата, особенно пожилым людям, передвигаться по миру так, как они хотят. Благодаря этому последнему прорыву исследовательская группа считает, что технология готова к коммерциализации в ближайшие несколько лет.
«Первый раз, когда вы надеваете экзоскелет, может быть небольшая адаптация», — сказала Ава Лакмазахери, аспирант лаборатории биомехатроники, которая носила экзоскелет во время испытаний. «Но, честно говоря, в течение первых 15 минут ходьбы это начинает казаться вполне естественным. При ходьбе с экзоскелетами буквально чувствуется, что у вас есть дополнительная пружина в вашем шаге. Это действительно делает следующий шаг намного проще».
Экзоскелеты для реального мира
Основным препятствием для эффективного экзоскелета в прошлом была индивидуализация. «Большинство экзоскелетов разработаны с использованием комбинации интуиции или биомимикрии, но люди слишком сложны и разнообразны, чтобы это работало», — объяснил Коллинз.
Крупный план непривязанного экзоскелета, который отслеживает движения с помощью недорогих датчиков. (Изображение предоставлено Куртом Хикманом)
Чтобы решить эту проблему, эта группа полагалась на свои эмуляторы экзоскелета — большие, неподвижные, дорогие лабораторные установки, которые могут быстро проверить, как лучше всего помочь людям, и найти чертежи эффективных портативных устройств для использования за пределами дома.
лаборатория Со студентами и добровольцами, подключенными к эмуляторам, исследователи собрали данные о движении и расходе энергии, чтобы понять, как то, как человек ходит с экзоскелетом, связано с тем, сколько энергии он использует.
Эти данные выявили относительные преимущества различных видов помощи, предлагаемых эмулятором. Он также проинформировал модель машинного обучения, которую реальный экзоскелет теперь использует для адаптации к каждому владельцу. В отличие от эмулятора, непривязанный экзоскелет может отслеживать движения, используя только недорогие носимые датчики, встроенные в ботинок.
«Мы измеряем силу и движение лодыжки с помощью носимых устройств, чтобы обеспечить точную помощь», — сказал Слэйд. «Сделав это, мы можем тщательно контролировать устройство, когда люди ходят, и помогать им безопасным и ненавязчивым образом».
30-фунтовый бустер
Экзоскелет облегчает ходьбу и может увеличить скорость за счет приложения крутящего момента к лодыжке, частично заменяя функцию икроножной мышцы.
Когда пользователи делают шаг, устройство помогает им оттолкнуться перед тем, как пальцы ног оторвутся от земли.
Ава Лакмазахери, аспирантка лаборатории биомехатроники, ходит в непривязанном экзоскелете. (Изображение предоставлено Куртом Хикманом)
Когда человек впервые использует экзоскелет, каждый раз при ходьбе он оказывает несколько иную помощь. Измеряя результирующее движение, модель машинного обучения определяет, как лучше помочь человеку в следующий раз, когда он будет ходить. Чтобы настроить экзоскелет под нового пользователя, требуется всего около часа ходьбы.
В ходе испытаний исследователи обнаружили, что их экзоскелет превзошел их ожидания. По их расчетам, экономия энергии и прирост скорости были эквивалентны «снятию 30-килограммового рюкзака».
«Оптимизированная помощь позволила людям ходить на 9% быстрее, расходуя на 17% меньше энергии на пройденное расстояние, по сравнению с ходьбой в обычной обуви. Это самые большие улучшения в скорости и энергии экономичной ходьбы среди всех экзоскелетов на сегодняшний день», — сказал Коллинз.
«При прямом сравнении с беговой дорожкой наш экзоскелет обеспечивает примерно вдвое меньшее усилие по сравнению с предыдущими устройствами».
Следующий шаг для экзоскелета — посмотреть, что он может сделать для целевой аудитории: пожилых людей и людей, которые начинают испытывать снижение подвижности из-за инвалидности. Исследователи также планируют разработать варианты, улучшающие баланс и уменьшающие боль в суставах, а также работать с коммерческими партнерами, чтобы превратить устройство в продукт.
«Мы впервые видим экзоскелет, обеспечивающий экономию энергии для реальных пользователей», — сказал Слэйд. «Я верю, что в течение следующего десятилетия мы увидим эти идеи персонализированной помощи и эффективных портативных экзоскелетов, которые помогут многим людям преодолеть проблемы с мобильностью или сохранить свою способность жить активной, независимой и значимой жизнью».
«Мы работали над этой целью около 20 лет, и я, честно говоря, немного ошеломлен тем, что мы наконец смогли это сделать», — сказал Коллинз.